PODSTAWY MIKROELEKTRONIKI:  wykład 10 cz. 1


Streszczenie
Wroc

Podstawowe źródła prądowe

Źródłem prądowym nazywamy układ wymuszający przepływ prądu o zadanym natężeniu w pewnej gałęzi układu. Elementarnym źródłem prądowym jest po prostu pojedynczy tranzystor MOS lub bipolarny. Oba rodzaje tranzystorów mają taki zakres charakterystyk prądowo-napięciowych, w których prąd w obwodzie wyjściowym (drenu ID lub kolektora IC) bardzo słabo zależy od napięcia na wyjściu elementu (tj. napięcia dren-źródło UDS lub kolektor-emiter UCE). Trzeba więc spolaryzować tranzystor MOS lub bipolarny w taki sposób, by pracował w tym właśnie zakresie charakterystyk. Prąd, jaki płynie w obwodzie wyjściowym, zależy od napięcia w obwodzie wejściowym (UGS lub UBE - patrz wzory: (W3-3) dla tranzystora MOS, (W3-8) dla tranzystora bipolarnego).

 Nie jest jednak obojętne, w jaki sposób polaryzowany jest obwód wejściowy. Gdyby napięcie UGS lub UBE  miało stałą, niezależną od temperatury wartość, to w przypadku tranzystora MOS prąd malałby z temperaturą, a w przypadku tranzystora bipolarnego wzrastałby, i to bardzo szybko. To nie jest dopuszczalne w większości zastosowań. Prąd mało zmieniający się z temperaturą można uzyskać, jeśli napięcie polaryzujące UGS lub UBE otrzymuje się jako spadek napięcia na tranzystorze MOS lub bipolarnym w połączeniu diodowym.

a)  Zrodlo pr. MOS  
b)  Zrodlo pr. bip.

Podstawowe układy źródeł prądowych: (a) MOS, (b) bipolarnego

Zasada działania obu źródeł jest taka sama i opiera się na spostrzeżeniu, że jeśli napięcie UGS lub UBE  dla pary identycznych tranzystorów jest takie samo, to takie same muszą być wartości prądów drenów lub kolektorów (oczywiście pod warunkiem, że tranzystory pracują w zakresach napięć, w których słuszne są wzory (W3-3) lub (W3-8)). Układ z tranzystorami MOS spełnia ten warunek, jeśli napięcie UDS obu tranzystorów jest większe od napięcia nasycenia UDSsat. Układ z tranzystorami bipolarnymi działa nawet gdy UCE jest bardzo bliskie zeru.

A zatem w obu układach mamy (w pierwszym przybliżeniu): I1 = I0. Chcąc określić wartość I1 musimy określić I0. Prąd ten wynika z odpowiedniego równania

Wzory W10-1ab
(W10-1a)

(W10-1b)

skąd

Wzory W10-2ab

(W10-2a)




(W10-2b)

Wartości
UGS lub UBE mozna wyznaczyć z równań opisujących charakterystyki tranzystorów: (W3-3) lub (W3-8). Z (W3-3) mamy

Wzor W10-3  (W10-3)

zaś z (W3-8) wynika wzór (W3-10), który tu dla wygody powtórzymy jako (W10-4):

Wzor W3-10  (W10-4)

Po podstawieniu (W10-3) do (W10-2a) otrzymamy równanie kwadratowe ze względu na
I0, a po podstawieniu (W10-4) do (W10-2b) otrzymamy równanie uwikłane. Jednak ścisłe rozwiązania nie są nam tutaj potrzebne. Istotne jest, że w przypadkach obu rodzajów źródeł spełniony jest zwykle warunek: UGS << UDD lub UBE <<UCC. Wynika to z faktu, że w (W10-3) zwykle drugi składnik jest mały wobec UT, a UT jest poniżej 1 V, zaś z (W10-4) można obliczyć, że przy typowych wartościach IC i IES0 oraz w temperaturze otoczenia UBE<1V. Typowa wartość UBE dla krzemowych tranzystorów bipolarnych wynosi ok. 0,7V i słabo (logarytmicznie) zależy od IC. Widzimy więc, że prąd I0 w obu przypadkach dla dostatecznie dużych napięć zasilania UDD lub UCC uzależniony jest głównie od ilorazu UDD/R lub UCC/R. Gdyby rezystancja R miała wartość niezależną od temperatury, mielibyśmy prąd także praktycznie niezależny od temperatury. Rezystancje w układach scalonych rosną ze wzrostem temperatury, ale zauważmy, że zarówno UT, jak i UBE maleją ze wzrostem temperatury, czyli we wzorach (W10-2a) i (W10-2b) mamy do czynienia z ułamkami, w których zarówno liczniki, jak i mianowniki mają wartości rosnące z temperaturą (zakładamy tu oczywiście, że napięcia zasilania od temperatury nie zależą). Występuje więc w mniejszym lub większym stopniu kompensacja zmian temperaturowych. Stabilność temperaturowa prądów wymuszanych przez omawiane źródła prądowe jest całkowicie wystarczająca w większości zastosowań.

W przytoczonych wyżej rozumowaniach obliczaliśmy prąd
I0 i zakładaliśmy, że prąd I1 jest mu dokładnie równy. Tak jednak w rzeczywistości nie jest. Prądy I0 i I1 nie są dokładnie równe. Przyczyny różnic:
W przypadku tranzystora bipolarnego jest jeszcze jedna przyczyna różnicy - prądy baz tranzystorów.

W większości przypadków identyczność prądów I0 i I1 nie ma większego znaczenia. Ważne jest tylko to, że prąd I1 mało zależy od temperatury. Jeżeli jednak w konkretnym zastosowaniu identyczność prądów I0 i I1 jest istotna, to można do niej dążyć przez:

(1) Zastosowanie tranzystorów dużych i z długim kanałem - znacznie dłuższym od minimalnej długości dopuszczalnej w danej technologii.

Im dłuższy kanał tranzystora, tym słabszy wpływ napięcia UDS na prąd drenu. Duże wymiary i długi kanał minimalizują także rozrzuty produkcyjne.

(2) Zastosowanie topografii minimalizującej wpływ rozrzutów lokalnych. Reguły są następujące:
  • Oba trazystory powinny mieć dokładnie te same wymiary kanałów oraz obszarów źródła i drenu.
  • Oba tranzystory powinny mieć tę samą orientację.
  • W obu tranzystorach kierunek przepływu prądu powinien być ten sam.
  • Tranzystory powinny być umieszczone w możliwie najmniejszej odległości jeden od drugiego.
(3) Umieszczenie tranzystorów w sposób symetryczny względem źródeł ciepła w układzie, aby miały możliwie jednakową temperaturę.

Przykład topografii dwóch tranzystorów MOS spełniającej podane wyżej kryteria pokazuje rysunek poniżej. Kanał każdego tranzystora został podzielony na 4 równolegle połączone kanały. Kanały tranzystorów 1 i 2 są wzajemnie przeplecione. W każdym z tranzystorów jest taka sama liczba kanałow, w których prąd płynie z lewej do prawej, i kanałów, w których prąd płynie z prawej do lewej.

Para tranzystorow

Para tranzystorów nMOS - przykład topografii minimalizującej rozrzuty lokalne

Topografie tego rodzaju stosuje się zawsze tam, gdzie niezbędna jest minimalizacja rozrzutów lokalnych, nie tylko w przypadku źródeł prądowych.

W przypadku tranzystorów bipolarnych wystarcza zachowanie identycznych kształtów i wymiarów tranzystorów. Pojawia się natomiast problem prądów baz. Prąd I0 nie jest równy prądowi kolektora tranzystora, lecz sumie prądu kolektora i dwóch prądów baz. Wprowadza to dodatkową różnicę między prądami I0 i I1. Prąd bazy tranzystora bipolarnego jest hFE razy mniejszy od prądu kolektora. Dla tranzystorów o dużych wartościach hFE (100 ... 200 i więcej) prądy baz można pominąć, ale w układach scalonych można spotkać także tranzystory o wartościach hFE rzędu 10, a nawet mniejszych. Może tak być na przykład w przypadku użycia pasożytniczych tranzystorów bipolarnych w strukturach układów CMOS jako elementów aktywnych. Stosuje się wtedy podstawowe źródło prądowe w wersji wzbogaconej o dodatkowy tranzystor, którego rolą jest dostarczenie prądów baz bezpośrednio ze źródła zasilania:

Zrodlo bipolarne

Źródło prądowe ze zredukowanym wpływem prądów baz

Dodatkowy tranzystor redukuje hFE+1 - krotnie prąd odgałęziający się od prądu I0 .

W układach CMOS na ogół rezystor R nie jest wykonywany jako zwykły rezystor polikrzemowy. Typowe wartości prądów drenu w analogowych układach CMOS są na poziomie od kilkudziesięciu do kilkuset µA. Przy napięciach zasilania wynoszących kilka V rezystor R musiałby mieć rezystancję rzędu kilkudziesięciu do kilkuset kOm. Wykonanie takiego rezystora nie ma ekonomicznego sensu ze względu na powierzchnię, jaką musiałby on zająć. Zamiast rezystora stosuje się zwykle odpowiednio spolaryzowany tranzystor MOS o tak dobranych wymiarach, aby płynął przezeń prąd o wymaganym natężeniu. Powierzchnia takiego tranzystora jest wielokrotnie mniejsza, niż rezystora wykonanego jako ścieżka polikrzemowa.

Zrodlo MOS

Źródło prądowe, w którym rolę rezystancji R pełni p-kanałowy tranzystor MOS

Wroc
Dalej

sem. 16L